特開 2024-64985 アルミニウム電池に適用される負極構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024064985

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】アルミニウム電池に適用される負極構造

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/39 20060101AFI20240507BHJP

   H01M 4/66 20060101ALI20240507BHJP

【ＦＩ】

H01M10/39 B

H01M4/66 A

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023119528

(22)【出願日】2023-07-22

(31)【優先権主張番号】111140965

(32)【優先日】2022-10-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】522466326

【氏名又は名称】亞福儲能股▲分▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＡＰｈ ｅＰｏｗｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100204490

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 葉子

(72)【発明者】

【氏名】呉 瑞軒

(72)【発明者】

【氏名】蔡 施柏達

(72)【発明者】

【氏名】陳 韋安

【テーマコード（参考）】

5H017

5H029

【Ｆターム（参考）】

5H017CC05

5H017EE06

5H017HH00

5H017HH01

5H017HH04

5H029AJ14

5H029AK07

5H029AL11

5H029DJ07

5H029DJ13

5H029EJ04

(57)【要約】      （修正有）

【課題】容量劣化率の点でアルミニウム電池の性能を向上させ、生産のスケールアップを容易にする、アルミニウム電池に適用される負極構造を提供する。
【解決手段】アルミニウム電池１００に適用される負極構造１１０は、多孔質材料層１１１と金属めっき層１１２とを含む。金属めっき層は多孔質材料層上に位置することで、アルミニウム電池の容量劣化率をサイクルあたり５％未満とする。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウム電池に適用される負極構造であって、
多孔質材料層と、
前記多孔質材料層上に位置することで、前記アルミニウム電池の容量劣化率をサイクルあたり５％未満とする、金属めっき層とを含む、負極構造。

【請求項2】

前記多孔質材料層上の前記金属めっき層の重量は２ｍｇ／ｃｍ^２よりも大きい、請求項１に記載の負極構造。

【請求項3】

前記多孔質材料層上の前記金属めっき層の重量は１００ｍｇ／ｃｍ^２未満である、請求項２に記載の負極構造。

【請求項4】

前記多孔質材料層の比表面積は１００ｍ^２／ｇ～３０００ｍ^２／ｇの間である、請求項１に記載の負極構造。

【請求項5】

前記多孔質材料層の材料は、活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、グラフェン、カーボンブラック、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズ系黒鉛炭素微小球、又はそれらの組合せを含む、請求項１に記載の負極構造。

【請求項6】

前記金属めっき層はアルミニウム金属めっき層である、請求項１に記載の負極構造。

【請求項7】

前記金属めっき層は、イオン性液体により前記多孔質材料層上にめっきされる、請求項１に記載の負極構造。

【請求項8】

前記イオン性液体はアルミニウム塩系イオン性液体を含む、請求項７に記載の負極構造。

【請求項9】

前記金属めっき層は、前記アルミニウム電池の正極構造と前記多孔質材料層との間に位置する、請求項１に記載の負極構造。

【請求項10】

前記正極構造は層間材料を含む、請求項９に記載の負極構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミニウム電池に適用される負極構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電気化学エネルギー貯蔵部材としてのアルミニウム電池は、良好な安全性及び低コストの利点がある。更に、アルミニウム電池の容量劣化率は負極のアルミニウム溶解反応の速度に影響され、アルミニウム溶解反応の速度は負極構造に密接に関連する。このため、容量劣化率の点でアルミニウム電池の性能を向上させる、より好ましい負極構造を如何にして設計するかが課題である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、容量劣化率の点でアルミニウム電池の性能を向上させ、生産のスケールアップを容易にする、アルミニウム電池に適用される負極構造を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明のアルミニウム電池に適用される負極構造は、多孔質材料層と金属めっき層とを含む。金属めっき層は多孔質材料層上に位置することで、アルミニウム電池の容量劣化率をサイクルあたり５％未満とする。

【0005】

本発明の１つの実施形態において、多孔質材料層上の金属めっき層の重量は２ｍｇ／ｃｍ^２よりも大きい。

【0006】

本発明の１つの実施形態において、多孔質材料層上の金属めっき層の重量は１００ｍｇ／ｃｍ^２未満である。

【0007】

本発明の１つの実施形態において、多孔質材料層の比表面積は１００ｍ^２／ｇ～３０００ｍ^２／ｇの間である。

【0008】

本発明の１つの実施形態において、多孔質材料層の材料は、活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、グラフェン、カーボンブラック、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズ系黒鉛炭素微小球、又はそれらの組合せを含む。

【0009】

本発明の１つの実施形態において、金属めっき層はアルミニウム金属めっき層である。

【0010】

本発明の１つの実施形態において、金属めっき層は、イオン性液体により多孔質材料層上にめっきされる。

【0011】

本発明の１つの実施形態において、イオン性液体はアルミニウム塩系イオン性液体を含む。

【0012】

本発明の１つの実施形態において、金属めっき層は、アルミニウム電池の正極構造と多孔質材料層との間に位置する。

【0013】

本発明の１つの実施形態において、正極構造は層間材料を含む。

【発明の効果】

【0014】

上記に基づき、アルミニウム電池に適用される本発明の負極構造は、多孔質材料層と金属めっき層の複合電極設計を用いることにより、負極構造の表面上の反応場の数を増加させることができ、これにより、容量劣化率（サイクルあたり５％未満）の点でアルミニウム電池の性能を向上させ、生産のスケールアップを容易にする。

【0015】

本発明の上述した特徴及び利点をより明確且つ理解しやすくするため、以下に実施形態を示し、添付図面を参照して詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1A】本発明の１つの実施形態による、アルミニウム電池に適用される負極構造の概略図である。

【図1B】多孔質材料層上の異なる重量の金属めっき層の容量劣化率のデータ図である。

【図2】本発明の１つの実施形態による負極構造の製造の概略図である。

【図3】本発明の１つの実施形態による、アルミニウム電池に適用される負極構造の試験の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、これら実施形態は例示であり、本発明はこれに限定されない。本発明は特許請求の範囲によって定義される。

【0018】

以下に図面を参照して本発明の例示的な実施形態を詳細に説明するが、本発明は多くの異なる形態で具体化することができ、ここで説明する実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。図面において、明確化のため、様々な領域、部分、層のサイズ及び厚さは実際の縮尺どおりに図示されていない場合がある。理解を容易にするため、以下の説明では同一の要素には同一の符号を付して説明する。

【0019】

ここで用いられる方向に関する用語（例えば、上、下、右、左、前、後、上、下）は、参照として図示されているのみであり、絶対的な方向を示唆することを意図していない。

【0020】

別段の定義がない限り、ここで用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、当業者によって一般的に理解されものと同じ意味を有する。

【0021】

図１Ａは、本発明の１つの実施形態による、アルミニウム電池に適用される負極構造の概略図である。図１Ｂは、多孔質材料層上の異なる重量の金属めっき層の容量劣化率のデータ図である。図２は、本発明の１つの実施形態による負極構造の製造の概略図である。図３は、本発明の１つの実施形態による、アルミニウム電池に適用される負極構造の試験の概略図である。

【0022】

図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３を参照し、本実施形態において、アルミニウム電池１００に適用される負極構造１１０は、多孔質材料層１１１と金属めっき層１１２とを含む。金属めっき層１１２は多孔質材料層１１１上に位置し、アルミニウム電池の容量劣化率はサイクルあたり５％未満である。従って、本実施形態のアルミニウム電池１００に適用される負極構造１１０は、多孔質材料層１１１と金属めっき層１１２の複合電極設計を用いることにより、負極構造１１０の表面上の反応場の数を増加させることができ、これにより、容量劣化率の点でアルミニウム電池１００の性能（サイクルあたり５％未満）を向上させ、生産のスケールアップを容易にする。

【0023】

いくつかの実施形態において、多孔質材料層１１１は高比表面積材料であってよい。多孔質材料層１１１の比表面積は、例えば、１００ｍ^２／ｇ～３０００ｍ^２／ｇの間である。多孔質材料層１１１が孔構造及び高比表面積といった特徴を有し、金属めっき層１１２が多孔質材料層１１１上に被覆されることから、活物質は酸化還元電気化学反応をより効率的に行うことができるが、本発明はこれに限定されない。

【0024】

いくつかの実施形態において、多孔質材料層１１１の材料は、活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、グラフェン、カーボンブラック、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズ系黒鉛炭素微小球、又はそれらの組合せを含み、金属めっき層１１２はアルミニウム金属めっき層であるが、本発明はこれに限定されない。多孔質材料層１１１には他の適切な非炭素系孔材料が用いられてもよい。

【0025】

いくつかの実施形態において、図２に示すように、金属めっき層１１２はイオン性液体１０３により多孔質材料層１１１上にめっきされてよい。更に、金属めっき層１１２がアルミニウム金属めっき層である場合、イオン性液体１０３はアルミニウム塩イオン性液体を含んでよく、電流Ａが多孔質材料層１１１へ流れるとき、式（１）：４Ａｌ_２Ｃｌ_７ ^－＋３ｅ^－→Ａｌ＋７ＡｌＣｌ_４ ^－の反応を介してイオン１０（Ａｌ_２Ｃｌ_７ ^－）がイオン２０（ＡｌＣｌ_４ ^－）に変換され、均一なアルミニウム金属めっき層がアルミニウム塩イオン性液体により多孔質材料層１１１上にめっきされる。ここで、アルミニウム金属を多孔質材料層１１１上にめっきさせるため、多孔質材料層１１１が電解めっき装置のカソードに設けられてよく、アルミ箔１０１が電解めっき装置のアノードに設けられてよいが、本発明はこれに限定されない。

【0026】

いくつかの実施形態において、金属めっき層１１２は、アルミニウム電池１００の正極構造１２０と多孔質材料層１１１との間に位置してよく、電解液１３０が正極構造１２０と負極構造１１０との間に提供される。正極構造１２０と電解液１３０は、実際の設計要件に応じて選択されてよく、本発明により限定されない。

【0027】

いくつかの実施形態において、多孔質材料層１１１上の金属めっき層１１２の重量は２ｍｇ／ｃｍ^２よりも重く、多孔質材料層１１１上の金属めっき層１１２の重量は１００ｍｇ／ｃｍ^２未満である。例えば、図１Ｂに示すように、金属めっき層１１２がアルミニウム金属めっき層であり、アルミニウムめっきの量が０ｍｇ／ｃｍ^２である（即ち、金属めっき層１１２が形成されていない）とき、アルミニウム電池の容量劣化率はサイクルあたり５％であり、アルミニウムめっきの量が４．２７ｍｇ／ｃｍ^２であるとき、アルミニウム電池の容量劣化率はサイクルあたり１％（サイクルあたり５％未満）である。アルミニウムめっきの量が８．５４ｍｇ／ｃｍ^２及び１４．９３ｍｇ／ｃｍ^２であるとき、アルミニウム電池の容量劣化率はサイクルあたり０％（サイクルあたり５％未満）である。つまり、容量劣化率の改善の度合いは、多孔質材料層１１１上の金属めっき層１１２の重量と正の相関がある。

【0028】

ここで、図１Ｂのアルミニウム電池の正極構造はグラファイト構造を用い、電解液はクロロアルミン酸イオン性液体を用い、他の説明していない組成及び仕様は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれる内容に基づいて当業者によって得られるはずである。加えて、図１Ｂの実験データは図３の試験装置により得られる。図３の試験装置は、試験を行うため、固定部材１０２（例えば、スライドガラス）によってアルミニウム電池１００の負極構造１１０、正極構造１２０、及び電解液１３０の間の間隔を固定してよく、負極構造１１０と正極構造１２０の位置を固定してよい。

【0029】

いくつかの実施形態において、正極構造１２０が層間材料であり、電解液１３０がハロゲン化アルミニウム及び塩化イミダゾール塩であり、金属めっき層１１２がアルミニウム金属めっき層であるとき、放電サイクルの間に負極構造体１１０の表面で大量のアルミニウム溶解反応が起こる。金属Ｍは、式（２）：Ａｌ＋７ＡｌＣｌ_４ ^－→４Ａｌ_２Ｃｌ_７ ^－＋３ｅ^－の反応によってイオン２０（ＡｌＣｌ_４ ^－）をイオン１０（Ａｌ_２Ｃｌ_７ ^－）に変換し、このため、アルミニウム電池の負極として炭素系材料のみが使用され、表面にアルミニウム源が存在せず、遅いアルミニウムの溶解反応及び正極の活物質の不完全な層間剥離をもたらし得ることにより引き起こされる容量低下の問題を大幅に改善することができる。つまり、高比表面積を有する多孔質材料層１１１と金属めっき層１１２の複合電極設計を用いることにより、負極構造１１０のアルミニウム溶解の量が増加することで、正極構造１２０から剥離したイオン２０（ＡｌＣｌ_４ ^－）と反応してイオン１０（Ａｌ_２Ｃｌ_７ ^－）を形成する。その結果、正極構造１２０の層間隔中のイオン２０（ＡｌＣｌ_４ ^－）は剥離されて実質的に層間隔中に残留せず、これにより、アルミニウムの溶解速度が正極の剥離速度未満の場合に層間隔中に過剰な活物質が残留して次の充電サイクルの間に正極に介在する活物質の数に影響し、電気が次第に減衰する問題を改善する。即ち、後続の充放電サイクルの間に介在する活物質の数は変化なく維持され、これにより容量劣化を効果的に改善することができる。

【0030】

まとめると、本発明のアルミニウム電池に適用される負極構造は、多孔質材料層と金属めっき層の複合電極設計を用いることにより、負極構造の表面上の反応場の数を増加させることができ、これにより、容量劣化率の点でアルミニウム電池の性能を向上させ（サイクルあたり５％未満）、生産のスケールアップを容易にする。

【0031】

上記で実施形態を参照して本発明を説明したが、これら実施形態は本発明を限定することを意図していない。当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いくつかの変更及び改変を行うことが可能である。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本発明の負極構造は、アルミニウム電池に適用することができる。

【符号の説明】

【0033】

１０、２０：イオン
１０１：アルミ箔
１０２：固定部材
１０３：イオン性液体
１００：アルミニウム電池
１１０：負極構造
１１１：多孔質材料層
１１２：金属めっき層
１２０：正極構造
１３０：電解液
Ａ：電流
Ｍ：金属

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【外国語明細書】